船舶用蓄熱システムおよび蓄熱槽
【課題】主機関の運転時に排熱を蓄え、主機関の運転中は無論、停止時にも利用が可能であり、省エネルギー化が図れるとともに、航行中、停泊時を問わず負荷変動に自在に対応できる船舶用蓄熱システムを提供すること。
【解決手段】本発明の船舶用蓄熱システムは、船舶１を推進する主機関２と、主機関２の排熱を供給する経路手段３と、横置きに設置した蓄熱槽４と、経路手段３に設けて蓄熱槽４内の蓄熱媒体と排熱とを熱交換する熱交換手段５と、主機関２の運転時に排熱を蓄熱槽４に蓄熱する制御を行う蓄熱制御手段９０とを備えたことを特徴とする。
【解決手段】本発明の船舶用蓄熱システムは、船舶１を推進する主機関２と、主機関２の排熱を供給する経路手段３と、横置きに設置した蓄熱槽４と、経路手段３に設けて蓄熱槽４内の蓄熱媒体と排熱とを熱交換する熱交換手段５と、主機関２の運転時に排熱を蓄熱槽４に蓄熱する制御を行う蓄熱制御手段９０とを備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶に搭載される主機関の航行中の排熱を蓄熱し、停泊中に利用することができる船舶用蓄熱システムおよび蓄熱槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
温暖化抑制の観点から、温室効果ガス（以下はＧＨＧと称す）の排出削減が全ての経済活動に強く求められており、船舶航行に伴うＧＨＧ排出についても極限まで減少させることが緊急の課題となっている。
船舶では、主機関の排熱の一部が、排ガスエコノマイザを用いることで利用されているが、航行中の船舶内利用先が限られており、多くの排熱が捨てられているのが現状である。
また、主機関の排熱が利用できない停泊中は、デッキサービスや燃料油加熱などの出航準備のため、補助ボイラーが焚かれている。
そこで、航行中の主機関の排熱を、停泊中に利用できれば、補助ボイラーの燃料消費を大幅に減少させ、補助ボイラーを小型化できるとともに、船舶からのＧＨＧ排出削減に貢献することになる。
航行中の主機関の排熱を停泊中に利用するためには、航行中に主機関から排出される排熱を蓄熱する必要がある。
ところで、貯湯槽にお湯を貯めることは従来から提案されており、一般の貯湯槽において、貯湯槽内の湯と水との混合を防止するために、貯湯槽内にベローズ状の境界膜を張設したものや移動隔壁を設けるものが提案されている（特許文献１、２）。
また、貯湯タンク内に、貯留した湯水面全体を覆う浮遊断熱体を設けることで温水面からの放熱を防止するものが提案されている（特許文献３）。
また、設置現場や設置現場までの搬送空間を考慮して複数の貯湯槽を用いることが従来から行われており、現場での組立・施工や貯湯槽の増設の容易化を目的として、又は放熱損失の低減を図ることを目的として複数の貯湯タンクを設置するものが提案されている（特許文献４、５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−３３５９５０号公報
【特許文献２】実開昭５９−１１３１５２号公報
【特許文献３】特開平６−３００３６２号公報
【特許文献４】特開２００４−２０１２４号公報
【特許文献５】特開２００５−２１４５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１から５に記載されているような従来の貯湯槽は、いずれもビルの屋上や地面のように安定した設置面であり、設置面積を小さくして空間を有効に利用するために高さ方向に寸法が大きな貯湯槽を用いるのが一般的である。
しかし、船舶に搭載するためには、小型化を図るとともに船舶の安定性を維持するものでなければならず、ビルの屋上などに設置される一般の貯湯槽をそのまま船舶に適用することはできない。
従って、船舶に搭載する蓄熱槽としては、高さ方向に寸法が大きな貯湯槽は適さない。
また、小型の貯湯槽でも高温水を有効に利用するためには、貯湯槽内で高温層と低温層に分離する必要があるが、船舶は航行中だけでなく、停泊中にも揺れを生じるため、この揺れによる高温水と低温水との混合を防止する必要がある。
なお、特許文献３では高さ方向の寸法が小さな貯湯タンクを示しており、安定性には適しているが、タンク内で高温層と低温層に分離するタイプではなく、高温水を有効に貯留して利用する必要のある船舶用の蓄熱槽には適さない。
【０００５】
そこで本発明は、主機関の運転時に排熱を蓄え、主機関の運転中は無論、停止時にも利用が可能であり、省エネルギー化が図れるとともに、航行中、停泊時を問わず負荷変動に自在に対応できる船舶用蓄熱システムを提供することを目的とする。
また本発明は、上部空間に貯留する高温の蓄熱媒体と下部空間に貯留する低温の蓄熱媒体が混じり合うことが無い蓄熱槽を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載に対応した船舶用蓄熱システムにおいては、船舶を推進する主機関と、主機関の排熱を供給する経路手段と、横置きに設置した蓄熱槽と、経路手段に設けて蓄熱槽内の蓄熱媒体と排熱とを熱交換する熱交換手段と、主機関の運転時に排熱を蓄熱槽に蓄熱する制御を行う蓄熱制御手段とを備えたことを特徴とする。請求項１に記載の本発明によれば、主機関の運転時に排熱を蓄え、主機関の運転中は無論、停止時にも利用が可能であり、省エネルギー化が図れるとともに、航行中、停泊時を問わず負荷変動に自在に対応できる。また、本発明によれば、蓄熱槽を横置きに設置しているため、船舶が揺れても高温側と低温側の境界面の変位が少なく、高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体とが混じり合うことや、隔膜の変形が低減できる。また、本発明によれば、蓄熱槽が横置きであるため、船舶の重心を低く抑えられ、船舶の安定性が増す。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の船舶用蓄熱システムにおいて、蓄熱槽を複数個設け、これらの蓄熱槽を経路的に並列に接続したことを特徴とする。請求項２に記載の本発明によれば、蓄熱槽が並列接続であるため、直列接続に比べて一度に大量の熱を取り出すことが可能となり、一時的大量消費に対応ができる。また、並列接続とすることで、複数の蓄熱槽から均等に放熱させることにより、船舶のバランスが取りやすくなる。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の船舶用蓄熱システムにおいて、蓄熱槽の長手方向が船舶の前後方向となるように蓄熱槽を船舶に設置したことを特徴とする。請求項３に記載の本発明によれば、揺れが少ない船舶前後方向に蓄熱槽の長手方向を合わせることで、高温側と低温側の境界面における揺れが少なくて済む。従って、蓄熱槽内に隔膜を設けていない場合でも、低温層と高温層とが混じることを低減できる。また、蓄熱槽に隔膜を設けている場合には、隔膜の変動が少なくて済み、繰り返しによる材料劣化を防止できる。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の船舶用蓄熱システムにおいて、蓄熱槽の温度を検出する温度検出手段を設け、温度検出手段での検出温度が所定温度以下の場合には、蓄熱制御手段によって経路手段を切り替えて蓄熱槽に蓄熱することを特徴とする。請求項４に記載の本発明によれば、温度条件を管理して蓄熱ができ、無駄に蓄熱運転をしたり、蓄熱槽を冷却してしまうことを防止することができる。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の船舶用蓄熱システムにおいて、蓄熱制御手段が、船舶の航行中に蓄熱槽への蓄熱を行う制御と、船舶の航行停止時に蓄熱槽の蓄熱を利用する制御を行うことを特徴とする。請求項５に記載の本発明によれば、航行中の主機関の排熱を、航行停止時の排熱発生が無いときの必要エネルギーに有効利用できる。また、航行停止時に補助ボイラーを焚かないで済むため、人の居住地に近い、港等の停泊地での補助ボイラーによる排ガスの排出や騒音の発生を抑制することが可能となる。
請求項６記載に対応した蓄熱槽においては、蓄熱槽本体を、長手方向を水平方向として設置し、前記蓄熱槽本体内の上部空間と下部空間とを分離する隔膜を備えたことを特徴とする。請求項６に記載の本発明によれば、隔膜を有しているため、上部空間に貯留する高温の蓄熱媒体と下部空間に貯留する低温の蓄熱媒体が混じり合うことが防止できる。また、長手方向を水平方向として蓄熱槽本体を設置することで、隔膜の変位が少なくて済み、耐久的にも隔膜の長寿命化が図れる。
請求項７記載の本発明は、請求項６に記載の蓄熱槽において、隔膜が蓄熱媒体の比重との関係において浮力を調整する浮力調整機構を有することを特徴とする。請求項７に記載の本発明によれば、浮力調整することにより、蓄熱媒体の出し入れが支障なくできる。また、浮力調整することにより、多少の間隙がある構成や、穴空きがあっても高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体との間に隔膜を臨ませることができる。また、浮力調整機構により浮力を調整するため、重り等が不要である。
請求項８記載の本発明は、請求項６又は請求項７に記載の蓄熱槽において、蓄熱槽本体の内面の少なくとも上部空間に内側断熱材を設けたことを特徴とする。請求項８に記載の本発明によれば、高温の蓄熱媒体が介在する上部空間を有効に断熱できるので、残量が少なくなっても高温の蓄熱媒体を有効に利用できる。また、上部空間の熱が蓄熱槽本体に伝わって下部空間に移行することを防止できる。
請求項９記載の本発明に対応した船舶用蓄熱システムにおいては、請求項６から請求項８のいずれかに記載の蓄熱槽を、船舶に設置し、船舶を推進する主機関の排熱を用いて蓄熱槽に蓄熱することを特徴とする。請求項９に記載の本発明によれば、隔膜を有するとともに長手方向を水平方向として設置する蓄熱槽であるために、重心を低くでき常に揺れを生じる船舶に適している。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、主機関の運転中は無論、停止時にも排熱の利用が可能であり、省エネルギー化が図れるとともに、航行中、停泊時を問わず負荷変動に自在に対応できる。また、本発明によれば、高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体とが混じり合うことや、隔膜の変形が低減できる。また、本発明によれば、蓄熱槽が横置きであるため、船舶の重心を低く抑えられ、船舶の安定性が増す。
なお、蓄熱槽を並列接続としたときは、直列接続に比べて一度に大量の熱を取り出すことが可能となり、一時的大量消費に対応ができる。また、並列接続としたときは、複数の蓄熱槽から均等に放熱させることにより、船舶のバランスが取りやすくなる。
また、船舶前後方向に蓄熱槽の長手方向を合わせたときは、船舶の横方向他と比較して揺れが少ないため、高温側と低温側の境界面における揺れも少なくて済む。
また、温度検出手段での検出温度が所定温度以下の場合に、蓄熱制御手段によって経路手段を切り替えて蓄熱槽に蓄熱したときは、温度条件を管理して蓄熱ができ、無駄に蓄熱運転をしたり、蓄熱槽を冷却してしまうことを防止することができる。
また、蓄熱制御手段が、船舶の航行中に蓄熱槽への蓄熱を行う制御と、船舶の航行停止時に蓄熱槽の蓄熱を利用する制御を行うこととしたときは、航行中の主機関の排熱を、航行停止時の排熱発生が無いときの必要エネルギーに有効利用できるとともに、航行停止時に補助ボイラーを焚かないで済むため、人の居住地に近い、港等の停泊地での補助ボイラーによる排ガスの排出や騒音の発生を抑制することが可能となる。
また、隔膜を有したときは、例えば蓄熱槽が揺動しても、上部空間に貯留する高温の蓄熱媒体と下部空間に貯留する低温の蓄熱媒体が混じり合うことを防止できる。また、長手方向を水平方向として蓄熱槽本体を設置するので、隔膜の変位が少なくて済み、耐久的にも隔膜の長寿命化が図れる。
また、浮力調整機構によって浮力調整したときは、蓄熱媒体の出し入れが支障なくできる。また、浮力調整したときは、多少の間隙がある構成や、穴空きがあっても高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体との間に臨ませることができる。
また、蓄熱槽本体の内面の少なくとも上部空間に内側断熱材を設けたときは、高温の蓄熱媒体が介在する上部空間を有効に断熱できるので、残量が少なくなっても高温の蓄熱媒体を有効に利用できる。また、上部空間に内側断熱材を設けたときは、上部空間の熱が蓄熱槽本体に伝わって下部空間に移行することを防止できる。
また、隔膜を有するとともに長手方向を水平方向として設置する蓄熱槽であるために、重心を低くでき常に揺れを生じる船舶に適している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態を示す船舶用蓄熱システムを搭載した船舶の側面構成図
【図２】図１における船舶の上面図
【図３】同船舶用蓄熱システムの経路と蓄熱槽を示す構成図
【図４】図３の蓄熱運転モードを示す構成図
【図５】図３の蓄熱利用運転モードを示す構成図
【図６】同船舶用蓄熱システムに用いる蓄熱槽の要部断面構成図
【図７】図６における浮力調整部材の他の実施形態を示す要部構成図
【図８】同船舶用蓄熱システムに用いる熱交換器の分解構成斜視図
【図９】同船舶用蓄熱システムの流体抵抗低減装置の第１の制御方法による制御ブロック図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の船舶用蓄熱システムの一実施形態について説明する。
図１は本実施形態による船舶用蓄熱システムを搭載した船舶の側面構成図、図２は図１における船舶の上面図である。
【００１０】
図に示すように、本実施形態による船舶用蓄熱システム１０は、船舶１を推進する主機関２と、主機関２の排熱を供給する経路手段３と、横置きに設置した蓄熱槽４と、経路手段３に設けて蓄熱槽４内の蓄熱媒体と排熱とを熱交換する熱交換手段５とを備えている。
主機関２から排出される排ガスは、排気経路６を通り、排ガスエコノマイザ７で排熱が回収された後に煙突８より大気に放出される。排ガスエコノマイザ７では、排ガスの排熱によって熱媒体にエネルギーを与えるが、通常は水を用いて蒸気を発生させる。
なお、本実施形態は、主機関２の排熱として排ガスを利用する場合について説明するが、主機関２を冷却する機関冷却材の熱を利用してもよい。この場合には、機関冷却材は冷却水であり、純水の他、水に凍結防止剤などを添加した冷却液や液状の冷却剤を用いることができる。また、主機関２の排熱として、主機関２を冷却する潤滑油の熱を利用してもよい。
【００１１】
図２に示すように、それぞれの蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃは、経路手段３によって並列に接続されている。また、それぞれの蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃは、長手方向を水平方向とし、この長手方向が船舶１の前後方向となるように船舶１のデッキに設置している。また並列接続した蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃは、船舶１の中心線に対して対象に配置している。
本実施形態によれば、それぞれの蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃは、横置きに水平に設置しているため、船舶１が揺れても高温側と低温側の境界面の変位が少なく、高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体とが混じり合うことを低減でき、船舶１の重心を低く抑えられ、船舶１の安定性がよい。
また本実施形態によれば、それぞれの蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃが並列接続であるため、直列接続に比べて一度に大量の熱を取り出すことが可能となり、一時的大量消費に対応ができる。また、それぞれの蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃを並列接続とすることで、複数の蓄熱槽から均等に放熱させることにより、高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体の比重差による複数の蓄熱槽のアンバランスを無くし、船舶１のバランスが取りやすくなる。また並列接続した蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃを、船舶１の中心線に対して対象に配置することで、船舶１のバランスを更に取りやすくなる。
また本実施形態によれば、揺れが少ない船舶前後方向に蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃの長手方向を合わせることで、高温側と低温側の境界面における揺れが少なくて済む。従って、蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃ内に隔膜を設けていない場合でも、低温層と高温層とが混じることを低減できる。また、蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃに隔膜を設けている場合には、隔膜の変動が少なくて済み、繰り返しによる材料劣化を防止できる。
【００１２】
図３は本実施形態による船舶用蓄熱システムの経路と蓄熱槽を示す構成図、図４は図３の蓄熱運転モードを示す構成図、図５は図３の蓄熱利用運転モードを示す構成図である。
排ガスエコノマイザ７には、第１配管１１の一端と第２配管１２の一端とが接続されている。熱交換手段５の一次側流路には、第３配管１３の一端と第４配管１４の一端とが接続されている。第１配管１１の他端と第３配管１３の他端は第１接続部２１に接続され、第２配管１２の他端と第４配管１４の他端は第２接続部２２に接続されている。一方、利用機器９には、第５配管１５の一端と第６配管１６の一端とが接続されている。第５配管１５の他端は第１接続部２１に接続され、第６配管１６の他端は第２接続部２２に接続されている。
ここで、第１配管１１には第１開閉弁３１が、第４配管１４には第２開閉弁３２が、第５配管１５には第３開閉弁３３が、第６配管１６には第４開閉弁３４が設けられている。
また、第２配管１２には低圧ポンプ６１が、第６配管１６には熱利用ポンプ６２が設けられている。
【００１３】
一方、熱交換手段５の二次側流路には、第７配管５１の一端と第８配管５２の一端とが接続されている。第７配管５１の他端は、第１の蓄熱槽開閉弁４１に接続されている。ここで第１の蓄熱槽開閉弁４１は、蓄熱槽４の上部空間と連通している。また、第８配管５２の他端は第３接続部２３に接続されている。
第３接続部２３には、第９配管５３の一端と第１０配管５４の一端とが接続されている。第９配管５３の他端は第４接続部２４に接続され、第４接続部２４には、第１１配管５５の一端と第１２配管５６の一端とが接続されている。第１０配管５４の他端は第５接続部２５に接続され、第５接続部２５には、第１３配管５７の一端と第１４配管５８の一端とが接続されている。第１１配管５５の他端は、高圧ポンプ６３の吐出口６３ａと接続され、第１３配管５７の他端は、高圧ポンプ６３の吸入口６３ｂと接続されている。
第１２配管５６の他端と第１４配管５８の他端とは第６接続部２６に接続され、第６接続部２６には、第１５配管５９の一端が接続されている。第１５配管５９の他端は、第２の蓄熱槽開閉弁４２に接続されている。ここで第２の蓄熱槽開閉弁４２は、蓄熱槽４の下部空間と連通している。
ここで、第９配管５３には第５開閉弁３５が、第１０配管５４には第６開閉弁３６が、第１２配管５６には第７開閉弁３７が、第１４配管５８には第８開閉弁３８が設けられている。
【００１４】
本実施形態に適した蓄熱槽４は、例えばタンク容量が３３立方メートル程度であり、この場合には、直径が２．５メートル、軸長が７メートル程度の円筒状タンクで構成される。
蓄熱槽４の本体内には、上部空間と下部空間とを分離する隔膜４３が設けられている。蓄熱槽４は円筒状タンクの胴部に脚部４４ａが設けられ、脚部４４ａによって架台４４ｂ上に載置される。脚部４４ａには断熱材４４ｃが設けられており、蓄熱槽４の本体と架台４４ｂとは脚部４４ａによって熱的に隔離されている。
蓄熱槽４の胴部には、温度検出手段８０が設けられている。本実施形態においては、最上部に第１の温度検出手段８１、中間部に第２の温度検出手段８２、下方部に第３の温度検出手段８３、最下部に第４の温度検出手段８４を設けている。また蓄熱槽４の上部には非常時に開放する安全弁７１が設けられている。
【００１５】
上記構成における蓄熱運転モードについて図４を用いて説明する。
第１開閉弁３１及び第２開閉弁３２を開放、第３開閉弁３３及び第４開閉弁３４を閉塞することで、排ガスエコノマイザ７と熱交換手段５との間に、第１配管１１、第３配管１３、第４配管１４、及び第２配管１２による経路が形成され、排ガスエコノマイザ７で発生された高温蒸気が熱交換手段５で復水し、低圧ポンプ６１によって排ガスエコノマイザ７に戻される。
すなわち、排ガスエコノマイザ７からの高温蒸気は、第１配管１１と第３配管１３とを通過して熱交換手段５の一次側流路に導かれ、熱交換手段５で放熱し復水した温水は、第４配管１４と第２配管１２とを通過して排ガスエコノマイザ７に戻される。
一方、第５開閉弁３５及び第８開閉弁３８を開放、第６開閉弁３６及び第７開閉弁３７を閉塞することで、蓄熱槽４と熱交換手段５との間に、第１５配管５９、第１４配管５８、第１３配管５７、第１１配管５５、第９配管５３、第８配管５２、及び第７配管５１による経路が形成され、高圧ポンプ６３によって蓄熱媒体が流通する。
すなわち、蓄熱槽４の第２の蓄熱槽開閉弁４２からの低温の蓄熱媒体は、第１５配管５９、第１４配管５８、第１３配管５７、第１１配管５５、第９配管５３、及び第８配管５２を通過して熱交換手段５の二次側流路に導かれ、熱交換手段５で吸熱した高温の蓄熱媒体は、第７配管５１を経由し第１の蓄熱槽開閉弁４１から蓄熱槽４に導かれる。
上記動作を継続することで、蓄熱槽４の下部空間にある低温の蓄熱媒体は、第２の蓄熱槽開閉弁４２から流出し、高温の蓄熱媒体となって第１の蓄熱槽開閉弁４１から流入する。従って、蓄熱槽４内では、隔膜４３より下にある低温の蓄熱媒体は減少し、隔膜４３より上にある高温の蓄熱媒体が増加することで、隔膜４３は低温の蓄熱媒体と高温の蓄熱媒体との比率に応じて下降する。
【００１６】
次に、蓄熱利用運転モードについて図５を用いて説明する。
第２開閉弁３２、第３開閉弁３３、及び第４開閉弁３４を開放、第１開閉弁３１を閉塞することで、熱交換手段５と利用機器９との間に、第３配管１３、第５配管１５、第６配管１６、及び第４配管１４による経路が形成され、熱利用ポンプ６２によって利用側熱媒体が流通する。
すなわち、熱交換手段５の一次側流路からの高温の利用側熱媒体は、第３配管１３と第５配管１５とを通過して利用機器９に導かれ、利用機器９で放熱した利用側熱媒体は、第６配管１６と第４配管１４とを通過して熱交換手段５に戻される。この場合、利用側熱媒体は配管経路的に排ガスエコノマイザ７と連通しているため、水等の同一の熱媒体が用いられる。
一方、第６開閉弁３６及び第７開閉弁３７を開放、第５開閉弁３５及び第８開閉弁３８を閉塞することで、蓄熱槽４と熱交換手段５との間に、第７配管５１、第８配管５２、第１０配管５４、第１３配管５７、第１１配管５５、第１２配管５６、及び第１５配管５９による経路が形成され、高圧ポンプ６３によって蓄熱媒体が流通する。
すなわち、蓄熱槽４の第１の蓄熱槽開閉弁４１からの高温の蓄熱媒体は、第７配管５１を通過して熱交換手段５の二次側流路に導かれ、熱交換手段５で放熱した低温の蓄熱媒体は、第８配管５２、第１０配管５４、第１３配管５７、第１１配管５５、及び第１２配管５６、及び第１５配管５９を通過して第２の蓄熱槽開閉弁４２から蓄熱槽４に導かれる。
熱交換手段５で熱交換を行う蓄熱媒体の温度は、高圧ポンプ６３の回転数制御や弁類の開度調節による流量調節によって行われる。
上記動作を継続することで、蓄熱槽４の上部空間にある高温の蓄熱媒体は、第１の蓄熱槽開閉弁４１から流出し、低温の蓄熱媒体となって第２の蓄熱槽開閉弁４２から流入する。従って、蓄熱槽４内では、隔膜４３より上にある高温の蓄熱媒体は減少し、隔膜４３より下にある低温の蓄熱媒体が増加することで、隔膜４３は低温の蓄熱媒体と高温の蓄熱媒体との比率に応じて上昇する。
【００１７】
なお、上記実施形態では、第１の蓄熱槽開閉弁４１は、蓄熱槽４の上部空間と連通し、第２の蓄熱槽開閉弁４２は、蓄熱槽４の下部空間と連通する場合で説明したが、第１の蓄熱槽開閉弁４１及び第２の蓄熱槽開閉弁４２を、蓄熱槽４の上部空間と下部空間とを切り替え可能な切替弁としてもよい。
例えば、利用機器９において必ずしも高温水を必要としない場合には、第１の蓄熱槽開閉弁４１を蓄熱槽４の下部空間に切り替え、蓄熱利用運転モードで運転することで、蓄熱槽の下部空間の低温水を有効に利用し、蓄熱槽４の上部空間の高温水を温存することができる。また、必ずしも利用機器９での利用がなくても、第１の蓄熱槽開閉弁４１を蓄熱槽４の下部空間に切り替え、蓄熱利用運転モードで運転することで、蓄熱槽４での蓄熱温度を低下させることができる。
また、第２の蓄熱槽開閉弁４２を蓄熱槽４の上部空間に切り替え、蓄熱運転モードで運転を継続することで、蓄熱槽４の上部空間の高温水の温度低下を防止することができる。
この場合、蓄熱槽４の外部との連通口は、上部空間に２つ、下部空間に２つを蓄熱槽４の左右に有した形態となる。
【００１８】
図６は同船舶用蓄熱システムに用いる蓄熱槽の要部断面構成図である。
タンク壁４０は、蓄熱槽４の本体を構成し、隔膜４３はタンク壁４０の内面に補強リブ４５ａを用いて取り付けられる。補強リブ４５ａは、断面Ｌ字状の長尺部材からなり、タンク壁４０内周面全周にリング状に配置されている。補強リブ４５ａは、溶接又は接着によってタンク壁４０に接合されている。この補強リブ４５ａには、複数の孔が形成され、この孔にボルト４５ｂがナット４５ｃによって取り付けられ、ナット４５ｃとともに設けられるフラットバー４５ｄと補強リブ４５ａとの間に隔膜４３の外周部を挟み込むことで隔膜４３をタンク壁４０に取り付ける。
隔膜４３は、伸縮性、耐熱性、耐水性を考慮して選択するが、耐熱性については、実際の使用温度が１６５℃程度であることから、４５０℃程度の耐熱性を持つことが好ましい。
隔膜４３には、蓄熱媒体の比重との関係において隔膜４３の浮力を調整する浮力調整機構４３ａを有している。浮力調整機構４３ａは、例えば隔膜４３に気泡を形成する（発泡）か、耐熱織布として繊維を中空化することで構成される。
蓄熱槽４は、隔膜４３によって上部空間４０Ａと下部空間４０Ｂに区分けされる。蓄熱槽４が横置きであり、隔膜４３はベローズのような屈曲部を有していないため、変位が少ないことと相俟って、耐久性上の問題がなく、材料も広い選定対象から選ぶことができる。
タンク壁４０の外表面には外側断熱材４６が設けられ、補強リブ４５ａより上部のタンク壁４０の内面には内側断熱材４７が設けられる。
外側断熱材４６としては、水に接していないため、例えば既存のロックウール（熱伝導率：０.０４５Ｗ／ｍｋ程度）を用いることができる。
内側断熱材４７としては、例えば耐圧性と耐熱性に優れているシリカバルーン（平均径：１００μｍ）と不飽和ポリエステル樹脂の混練材による断熱材（比重０.５程度）を用いることができる。
【００１９】
本実施形態によれば、蓄熱槽４本体のタンク壁４０内面の少なくとも上部空間４０Ａに内側断熱材４７を設けたことで、高温の蓄熱媒体が介在する上部空間４０Ａを有効に断熱でき、残量が少なくなっても高温の蓄熱媒体を有効に利用できるとともに、上部空間４０Ａの熱がタンク壁４０に伝わって下部空間４０Ｂに移行することを防止できる。
また、補強リブ４５ａによって隔膜４３をタンク壁４０に取り付けることで、タンク壁４０の強度に悪影響を及ぼす恐れのある熱履歴を避けることができる。
また、補強リブ４５ａによって隔膜４３をタンク壁４０内周面全周に取り付けることで、隙間からの漏れが無く、上部空間４０Ａに貯留する高温の蓄熱媒体と下部空間４０Ｂに貯留する低温の蓄熱媒体が混じり合うことが無い。
隔膜４３は、船舶１の動揺や高温水及び低温水の導入導出による密度成層の乱れを防ぐことにあるため、厳密な気密性を保つ必要はない。従って、熱履歴影響の少ないスポット溶接によって隔膜４３をタンク壁４０に取り付けることもできる。
また、本実施形態によれば、隔膜４３が浮力を調整する浮力調整機構４３ａを有するため、蓄熱媒体の出し入れが支障なくできる。
また、浮力調整機構４３ａによって隔膜４３の浮力を調整しているので、多少の間隙がある構成や、穴空きがあっても高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体との間に隔膜４３を臨ませることができる。また、浮力調整機構４３ａにより浮力を調整するため、重り等を必要としない。例えば比重が２〜３の隔膜４３を用いた場合には、気密性が損なわれると、隔膜４３が沈降することにより低温水が高温水側に流れ込むことがあるが、隔膜４３に浮力調整機構４３ａを設けることで、重力的に隔膜４３の中立性を保つことができる。
【００２０】
図７は図６における浮力調整部材の他の実施形態を示す要部構成図である。
図７は、繊維材４３ｂに、例えば内側断熱材４７にも使われるシリカバルーン（平均径：１００μｍ）を混練した浮力調整部材４３ｃを数珠玉のように取り付けたもので、これを、隔膜４３に縫いつける。浮力調整部材４３ｃは、蓄熱媒体よりも小さな比重であればよい。蓄熱媒体の温度毎の比重を考慮して浮力調整部材４３ｃの数や大きさを選択し、使用時に高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体との間に隔膜４３を臨ませることができるように、浮力を調整する。
【００２１】
図８は同船舶用蓄熱システムに用いる熱交換器の分解構成斜視図である。
熱交換器５は、一対の端板５ａ間に第１のプレート５ｂと第２のプレート５ｃとを交互に配置することで構成される。第１のプレート５ｂと第２のプレート５ｃとはあらかじめ溶接によって固着されて一次側通路部材５ｄが構成され、第１のプレート５ｂと第２のプレート５ｃとの間に形成される通路は、高温蒸気が通過する一次側通路となる。一次側通路部材５ｄがパッキン５ｆを挟持して積層されることで、一次側通路部材５ｄ間には二次側通路が形成される。そして、両端板５ａを連結材５ｅによって圧着固定することで熱交換器５が形成される。
一方の端板５ａ側には、第３配管１３、第４配管１４、第７配管５１及び第８配管５２の接続口が形成され、第３配管１３と第４配管１４とが対角線上に、第７配管５１と第８配管５２とが対角線上となるように配置されている。第３配管１３から導入される高温蒸気は、一次側通路部材５ｄ内の一次側通路を順に通過して第４配管１４から導出される。また、第７配管５１から導入される蓄熱媒体は、一次側通路部材５ｄ間の二次側通路を順に通過して第８配管５２から導出される。
このとき、第１のプレート５ｂの一方の面を流れる蒸気ガスと第１のプレート５ｂの他方の面を流れる蓄熱媒体とは対向する方向に流れる。
【００２２】
本システムに用いる熱交換器５は、例えば、０．７ＭＰａの高温・高圧水から、船舶内の各消費先向けの低圧蒸気を発生させるためのもので、容量としては、補助ボイラーの蒸気生成量８００ｋｇ／ｈに相当する、０．７ＭＰａの飽和水４ｔｏｎ／ｈを流す必要がある。
従って、熱交換器５のタイプは、小型で高性能なプレート式熱交換器が適している。プレート式熱交換器で、４ｔｏｎ／ｈの性能を発揮するためには、プレート枚数１５枚、プレート寸法０.４ｍ×０.７ｍ程度の構成となる。しかし、本システムに用いる熱交換器５の場合には、二次側通路の出口付近では低密度な蒸気が流れるため、圧損を水側と同程度とするには、プレート枚数を増やして流速を落とす必要がある。蒸気の物性値（圧力４ａｔｍと仮定）から、プレート枚数は３０枚程度とすることで対応できる。プレート枚数が３０枚程度の熱交換器５の外形寸法は、０.５ｍ（幅）×０.８ｍ（高さ）×０.６ｍ程度となる。プレート材料としては耐食性に優れているチタンが適しており、蒸気側(一次側)を溶接した高耐圧型（３ＭＰａ）が好ましい。
なお、高温・高圧水を４ｔｏｎ／ｈで流した場合のシュミレーションでは、１００トンを蓄熱水として貯留し、実際の平均蒸気消費量を８００ｋｇ／ｈ程度とした場合には、３〜５日の利用が可能となる。
【００２３】
以下に、本実施形態における船舶用蓄熱システムの制御方法について説明する。
図９は同船舶用蓄熱システムの流体抵抗低減装置の第１の制御方法による制御ブロック図である。
図９に示す制御ブロック図は既に説明した実施形態による構成を機能実現手段で示したものであり、同一機能の構成には同一符号を付して説明を省略する。
蓄熱制御手段９０は、操作盤９１によって蓄熱運転モードや蓄熱利用モードのモード指示や温度検出手段８０の温度設定を行い、第１切替手段３０Ａ、第２切替手段３０Ｂ、低圧ポンプ６１、熱利用ポンプ６２、高圧ポンプ６３の動作指示を行う。操作盤９１は、表示パネル９２を備えている。
ここで、第１切替手段３０Ａは、第１開閉弁３１、第２開閉弁３２、第３開閉弁３３、及び第４開閉弁３４によって構成される。また、第２切替手段３０Ｂは、第５開閉弁３５、第６開閉弁３６、第７開閉弁３７、及び第８開閉弁３８によって構成される。
【００２４】
まず、操作盤９１によって、主機関２及び蓄熱制御手段９０の運転開始が設定され、この設定に基づいて主機関２及び蓄熱制御手段９０が始動する。
主機関２が運転を開始すると排ガスが排出され、排ガスエコノマイザ７の温度が上昇する。操作盤９１で蓄熱槽４の蓄熱指示が行われると、蓄熱槽４の温度を温度検出手段８０が監視し、温度検出手段８０(例えば第３の温度検出手段８３)で第１所定温度（例えば１６０℃以下）を検出すると、蓄熱制御手段９０によって蓄熱運転モードが設定される。
蓄熱運転モードでは、蓄熱制御手段９０が第１切替手段３０Ａを蓄熱モードに切り替え、低圧ポンプ６１の運転を開始し、排ガスエコノマイザ７で熱交換した排熱（高温蒸気）を熱交換器５に導く。
低圧ポンプ６１の運転開始から所定の時間遅らせて、蓄熱制御手段９０が第２切替手段３０Ｂを蓄熱モードに切り替え、高圧ポンプ６３の運転を開始し、熱交換器５で熱交換した排熱を蓄熱槽４に導き、蓄熱槽４に蓄熱する。
高圧ポンプ６３の運転開始を低圧ポンプ６１の運転開始から所定の時間遅らせることで、低温の蓄熱媒体が蓄熱槽４に供給されることを防止できる。
なお、このように高圧ポンプ６３の運転開始を低圧ポンプ６１の運転開始から所定の時間遅らせる制御ではなく、熱交換器５の温度を検出して制御してもよい。
蓄熱槽４の温度検出手段８０(例えば第４の温度検出手段８４)の検出温度が第２所定温度（例えば１７０℃）に達したら、蓄熱制御手段９０は低圧ポンプ６１及び高圧ポンプ６３の運転を止め、操作盤９１の表示パネル９２に蓄熱完了の表示を行う。
複数の蓄熱槽４を備えている場合には、直列接続して蓄熱することもできるが、航行上の船舶バランス面から並列蓄熱が好ましい。
【００２５】
次に蓄熱利用運転モードでは、操作盤９１で蓄熱の利用を設定すると、蓄熱制御手段９０が蓄熱槽４の温度を確認し、熱利用対象に対して利用可能であれば、利用可能の表示を表示パネル９２に表示する。なお、温度検出手段８０の各位置の温度検出結果は、蓄熱槽４の蓄熱状態として表示パネル９２にグラフィカルに表示したり、蓄熱量を算出して表示することに利用することも可能である。
蓄熱制御手段９０が第２切替手段３０Ｂを利用モードに切り替え、高圧ポンプ６３の運転を開始すると、蓄熱槽４に蓄熱された熱を熱交換器５に導く。
高圧ポンプ６３の運転開始から所定時間遅らせて第１切替手段３０Ａを蓄熱利用モードに切り替え、熱利用ポンプ６２の運転を開始し、熱交換器５で熱交換した蓄熱を供給する。
高圧ポンプ６３の運転開始から所定時間遅らせて熱利用ポンプ６２の運転開始を行うことで、低温の蓄熱媒体が熱利用対象に供給されることを防止できる。
なお、高圧ポンプ６３の運転開始から所定時間遅らせて熱利用ポンプ６２の運転開始を行う制御ではなく、熱交換器５の温度を検出して制御してもよい。
操作盤９１の設定にしたがって、高圧ポンプ６３と熱利用ポンプ６２を制御して熱利用対象に蓄熱を供給するが、利用機器９によっては、経路に温度検出手段８０を設けて、熱利用ポンプ６２の回転数を制御し、供給温度を一定に制御することもできる。
蓄熱槽４に蓄えられた熱が無くなったことを、例えば蓄熱槽４の温度検出手段８０で検出する(例えば第１の温度検出手段８１が１５０℃以下)と、表示パネル９２にその旨を表示し、高圧ポンプ６３と熱利用ポンプ６２の運転を停止する。
複数の蓄熱槽４を備えている場合は、並列利用の場合は終了し、直列利用の場合は次の蓄熱槽に切り替える。
【００２６】
本実施形態によれば、蓄熱槽４の温度を検出する温度検出手段８０を設け、温度検出手段８０での検出温度が第１所定温度以下の場合には、蓄熱制御手段９０によって経路手段３０Ａ、３０Ｂを切り替えて蓄熱槽４に蓄熱することができる。
従って、温度条件を管理して蓄熱ができ、無駄に蓄熱運転をしたり、蓄熱槽を冷却してしまうことを防止することができる。なお、第１所定温度はあらかじめ設定しておくことができ、温度検出手段８０を複数備えている場合には、いずれかの温度検出手段８０での検出温度が第１所定温度以下であり、蓄熱槽４に蓄熱ができることを推定できる場合に蓄熱制御手段９０によって蓄熱槽に蓄熱する。また、第１所定温度を熱交換手段５での検出温度と関連づけた温度とすることもでき、熱交換手段５での検出温度が十分に高くなることで、蓄熱槽４での検出温度が熱交換手段５での検出温度よりも低くなると蓄熱制御手段９０によって蓄熱槽に蓄熱する。
また、蓄熱制御手段９０が、船舶１の航行中に蓄熱槽４への蓄熱を行う制御と、船舶１の航行停止時に蓄熱槽４の蓄熱を利用する制御を行うことで、航行中の主機関２の排熱を、航行停止時の排熱発生が無いときの必要エネルギーに有効利用できる。また、航行停止時に補助ボイラーを焚かないため、人の居住地に近い、港等の停泊地での補助ボイラーによる排ガスの排出や騒音の発生を抑制できる。
本実施形態における主機関２としては、ディーゼルエンジンのような内燃機関があるが、ボイラーでの燃焼による蒸気を利用する蒸気タービンがある。主機関２の排ガスは、内燃機関の場合には燃焼によって生じる排ガスであるが、蒸気タービンの場合にはボイラーでの燃焼によって生じる排ガスとタービン通過後の排熱ガスである。従って、蒸気タービンの場合には、タービン通過後の排熱ガスを利用することもできる。一般的には、蒸気タービン船では、タービン通過後の排熱ガスは復水器で海水により冷却されるため、この復水器の代わりに各実施の形態における熱交換器を用いることができる。
また、主機関２の排熱として主機関２に過給機を用いる場合、この過給機の圧縮空気の排熱も含むものとする。この場合の、機関冷却材としては空気あるいはインタークーラー等を介し空気と熱交換される各種熱媒体が相当する。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、特にディーゼルエンジンのような内燃機関やボイラーでの燃焼による蒸気を利用する蒸気タービンを主機関として備えた船舶に適している。また、船舶をはじめとした各種輸送手段や浮体等を含めた揺動の大きい環境下での使用や、高さ、重心を低くすることが要請される用途の蓄熱槽に適している。
【符号の説明】
【００２８】
２ 主機関
３ 経路手段
４ 蓄熱槽
５ 熱交換手段
３０Ａ（３１、３２、３３、３４） 第１切替手段
３０Ｂ（３５、３６、３７、３８） 第２切替手段
４３ 隔膜
４３ａ浮力調整機構
４７ 内側断熱材
６１ 低圧ポンプ
６２ 熱利用ポンプ
６３ 高圧ポンプ
８０ 温度検出手段
９０ 蓄熱制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶に搭載される主機関の航行中の排熱を蓄熱し、停泊中に利用することができる船舶用蓄熱システムおよび蓄熱槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
温暖化抑制の観点から、温室効果ガス（以下はＧＨＧと称す）の排出削減が全ての経済活動に強く求められており、船舶航行に伴うＧＨＧ排出についても極限まで減少させることが緊急の課題となっている。
船舶では、主機関の排熱の一部が、排ガスエコノマイザを用いることで利用されているが、航行中の船舶内利用先が限られており、多くの排熱が捨てられているのが現状である。
また、主機関の排熱が利用できない停泊中は、デッキサービスや燃料油加熱などの出航準備のため、補助ボイラーが焚かれている。
そこで、航行中の主機関の排熱を、停泊中に利用できれば、補助ボイラーの燃料消費を大幅に減少させ、補助ボイラーを小型化できるとともに、船舶からのＧＨＧ排出削減に貢献することになる。
航行中の主機関の排熱を停泊中に利用するためには、航行中に主機関から排出される排熱を蓄熱する必要がある。
ところで、貯湯槽にお湯を貯めることは従来から提案されており、一般の貯湯槽において、貯湯槽内の湯と水との混合を防止するために、貯湯槽内にベローズ状の境界膜を張設したものや移動隔壁を設けるものが提案されている（特許文献１、２）。
また、貯湯タンク内に、貯留した湯水面全体を覆う浮遊断熱体を設けることで温水面からの放熱を防止するものが提案されている（特許文献３）。
また、設置現場や設置現場までの搬送空間を考慮して複数の貯湯槽を用いることが従来から行われており、現場での組立・施工や貯湯槽の増設の容易化を目的として、又は放熱損失の低減を図ることを目的として複数の貯湯タンクを設置するものが提案されている（特許文献４、５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−３３５９５０号公報
【特許文献２】実開昭５９−１１３１５２号公報
【特許文献３】特開平６−３００３６２号公報
【特許文献４】特開２００４−２０１２４号公報
【特許文献５】特開２００５−２１４５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１から５に記載されているような従来の貯湯槽は、いずれもビルの屋上や地面のように安定した設置面であり、設置面積を小さくして空間を有効に利用するために高さ方向に寸法が大きな貯湯槽を用いるのが一般的である。
しかし、船舶に搭載するためには、小型化を図るとともに船舶の安定性を維持するものでなければならず、ビルの屋上などに設置される一般の貯湯槽をそのまま船舶に適用することはできない。
従って、船舶に搭載する蓄熱槽としては、高さ方向に寸法が大きな貯湯槽は適さない。
また、小型の貯湯槽でも高温水を有効に利用するためには、貯湯槽内で高温層と低温層に分離する必要があるが、船舶は航行中だけでなく、停泊中にも揺れを生じるため、この揺れによる高温水と低温水との混合を防止する必要がある。
なお、特許文献３では高さ方向の寸法が小さな貯湯タンクを示しており、安定性には適しているが、タンク内で高温層と低温層に分離するタイプではなく、高温水を有効に貯留して利用する必要のある船舶用の蓄熱槽には適さない。
【０００５】
そこで本発明は、主機関の運転時に排熱を蓄え、主機関の運転中は無論、停止時にも利用が可能であり、省エネルギー化が図れるとともに、航行中、停泊時を問わず負荷変動に自在に対応できる船舶用蓄熱システムを提供することを目的とする。
また本発明は、上部空間に貯留する高温の蓄熱媒体と下部空間に貯留する低温の蓄熱媒体が混じり合うことが無い蓄熱槽を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載に対応した船舶用蓄熱システムにおいては、船舶を推進する主機関と、主機関の排熱を供給する経路手段と、横置きに設置した蓄熱槽と、経路手段に設けて蓄熱槽内の蓄熱媒体と排熱とを熱交換する熱交換手段と、主機関の運転時に排熱を蓄熱槽に蓄熱する制御を行う蓄熱制御手段とを備えたことを特徴とする。請求項１に記載の本発明によれば、主機関の運転時に排熱を蓄え、主機関の運転中は無論、停止時にも利用が可能であり、省エネルギー化が図れるとともに、航行中、停泊時を問わず負荷変動に自在に対応できる。また、本発明によれば、蓄熱槽を横置きに設置しているため、船舶が揺れても高温側と低温側の境界面の変位が少なく、高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体とが混じり合うことや、隔膜の変形が低減できる。また、本発明によれば、蓄熱槽が横置きであるため、船舶の重心を低く抑えられ、船舶の安定性が増す。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の船舶用蓄熱システムにおいて、蓄熱槽を複数個設け、これらの蓄熱槽を経路的に並列に接続したことを特徴とする。請求項２に記載の本発明によれば、蓄熱槽が並列接続であるため、直列接続に比べて一度に大量の熱を取り出すことが可能となり、一時的大量消費に対応ができる。また、並列接続とすることで、複数の蓄熱槽から均等に放熱させることにより、船舶のバランスが取りやすくなる。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の船舶用蓄熱システムにおいて、蓄熱槽の長手方向が船舶の前後方向となるように蓄熱槽を船舶に設置したことを特徴とする。請求項３に記載の本発明によれば、揺れが少ない船舶前後方向に蓄熱槽の長手方向を合わせることで、高温側と低温側の境界面における揺れが少なくて済む。従って、蓄熱槽内に隔膜を設けていない場合でも、低温層と高温層とが混じることを低減できる。また、蓄熱槽に隔膜を設けている場合には、隔膜の変動が少なくて済み、繰り返しによる材料劣化を防止できる。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の船舶用蓄熱システムにおいて、蓄熱槽の温度を検出する温度検出手段を設け、温度検出手段での検出温度が所定温度以下の場合には、蓄熱制御手段によって経路手段を切り替えて蓄熱槽に蓄熱することを特徴とする。請求項４に記載の本発明によれば、温度条件を管理して蓄熱ができ、無駄に蓄熱運転をしたり、蓄熱槽を冷却してしまうことを防止することができる。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の船舶用蓄熱システムにおいて、蓄熱制御手段が、船舶の航行中に蓄熱槽への蓄熱を行う制御と、船舶の航行停止時に蓄熱槽の蓄熱を利用する制御を行うことを特徴とする。請求項５に記載の本発明によれば、航行中の主機関の排熱を、航行停止時の排熱発生が無いときの必要エネルギーに有効利用できる。また、航行停止時に補助ボイラーを焚かないで済むため、人の居住地に近い、港等の停泊地での補助ボイラーによる排ガスの排出や騒音の発生を抑制することが可能となる。
請求項６記載に対応した蓄熱槽においては、蓄熱槽本体を、長手方向を水平方向として設置し、前記蓄熱槽本体内の上部空間と下部空間とを分離する隔膜を備えたことを特徴とする。請求項６に記載の本発明によれば、隔膜を有しているため、上部空間に貯留する高温の蓄熱媒体と下部空間に貯留する低温の蓄熱媒体が混じり合うことが防止できる。また、長手方向を水平方向として蓄熱槽本体を設置することで、隔膜の変位が少なくて済み、耐久的にも隔膜の長寿命化が図れる。
請求項７記載の本発明は、請求項６に記載の蓄熱槽において、隔膜が蓄熱媒体の比重との関係において浮力を調整する浮力調整機構を有することを特徴とする。請求項７に記載の本発明によれば、浮力調整することにより、蓄熱媒体の出し入れが支障なくできる。また、浮力調整することにより、多少の間隙がある構成や、穴空きがあっても高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体との間に隔膜を臨ませることができる。また、浮力調整機構により浮力を調整するため、重り等が不要である。
請求項８記載の本発明は、請求項６又は請求項７に記載の蓄熱槽において、蓄熱槽本体の内面の少なくとも上部空間に内側断熱材を設けたことを特徴とする。請求項８に記載の本発明によれば、高温の蓄熱媒体が介在する上部空間を有効に断熱できるので、残量が少なくなっても高温の蓄熱媒体を有効に利用できる。また、上部空間の熱が蓄熱槽本体に伝わって下部空間に移行することを防止できる。
請求項９記載の本発明に対応した船舶用蓄熱システムにおいては、請求項６から請求項８のいずれかに記載の蓄熱槽を、船舶に設置し、船舶を推進する主機関の排熱を用いて蓄熱槽に蓄熱することを特徴とする。請求項９に記載の本発明によれば、隔膜を有するとともに長手方向を水平方向として設置する蓄熱槽であるために、重心を低くでき常に揺れを生じる船舶に適している。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、主機関の運転中は無論、停止時にも排熱の利用が可能であり、省エネルギー化が図れるとともに、航行中、停泊時を問わず負荷変動に自在に対応できる。また、本発明によれば、高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体とが混じり合うことや、隔膜の変形が低減できる。また、本発明によれば、蓄熱槽が横置きであるため、船舶の重心を低く抑えられ、船舶の安定性が増す。
なお、蓄熱槽を並列接続としたときは、直列接続に比べて一度に大量の熱を取り出すことが可能となり、一時的大量消費に対応ができる。また、並列接続としたときは、複数の蓄熱槽から均等に放熱させることにより、船舶のバランスが取りやすくなる。
また、船舶前後方向に蓄熱槽の長手方向を合わせたときは、船舶の横方向他と比較して揺れが少ないため、高温側と低温側の境界面における揺れも少なくて済む。
また、温度検出手段での検出温度が所定温度以下の場合に、蓄熱制御手段によって経路手段を切り替えて蓄熱槽に蓄熱したときは、温度条件を管理して蓄熱ができ、無駄に蓄熱運転をしたり、蓄熱槽を冷却してしまうことを防止することができる。
また、蓄熱制御手段が、船舶の航行中に蓄熱槽への蓄熱を行う制御と、船舶の航行停止時に蓄熱槽の蓄熱を利用する制御を行うこととしたときは、航行中の主機関の排熱を、航行停止時の排熱発生が無いときの必要エネルギーに有効利用できるとともに、航行停止時に補助ボイラーを焚かないで済むため、人の居住地に近い、港等の停泊地での補助ボイラーによる排ガスの排出や騒音の発生を抑制することが可能となる。
また、隔膜を有したときは、例えば蓄熱槽が揺動しても、上部空間に貯留する高温の蓄熱媒体と下部空間に貯留する低温の蓄熱媒体が混じり合うことを防止できる。また、長手方向を水平方向として蓄熱槽本体を設置するので、隔膜の変位が少なくて済み、耐久的にも隔膜の長寿命化が図れる。
また、浮力調整機構によって浮力調整したときは、蓄熱媒体の出し入れが支障なくできる。また、浮力調整したときは、多少の間隙がある構成や、穴空きがあっても高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体との間に臨ませることができる。
また、蓄熱槽本体の内面の少なくとも上部空間に内側断熱材を設けたときは、高温の蓄熱媒体が介在する上部空間を有効に断熱できるので、残量が少なくなっても高温の蓄熱媒体を有効に利用できる。また、上部空間に内側断熱材を設けたときは、上部空間の熱が蓄熱槽本体に伝わって下部空間に移行することを防止できる。
また、隔膜を有するとともに長手方向を水平方向として設置する蓄熱槽であるために、重心を低くでき常に揺れを生じる船舶に適している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態を示す船舶用蓄熱システムを搭載した船舶の側面構成図
【図２】図１における船舶の上面図
【図３】同船舶用蓄熱システムの経路と蓄熱槽を示す構成図
【図４】図３の蓄熱運転モードを示す構成図
【図５】図３の蓄熱利用運転モードを示す構成図
【図６】同船舶用蓄熱システムに用いる蓄熱槽の要部断面構成図
【図７】図６における浮力調整部材の他の実施形態を示す要部構成図
【図８】同船舶用蓄熱システムに用いる熱交換器の分解構成斜視図
【図９】同船舶用蓄熱システムの流体抵抗低減装置の第１の制御方法による制御ブロック図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の船舶用蓄熱システムの一実施形態について説明する。
図１は本実施形態による船舶用蓄熱システムを搭載した船舶の側面構成図、図２は図１における船舶の上面図である。
【００１０】
図に示すように、本実施形態による船舶用蓄熱システム１０は、船舶１を推進する主機関２と、主機関２の排熱を供給する経路手段３と、横置きに設置した蓄熱槽４と、経路手段３に設けて蓄熱槽４内の蓄熱媒体と排熱とを熱交換する熱交換手段５とを備えている。
主機関２から排出される排ガスは、排気経路６を通り、排ガスエコノマイザ７で排熱が回収された後に煙突８より大気に放出される。排ガスエコノマイザ７では、排ガスの排熱によって熱媒体にエネルギーを与えるが、通常は水を用いて蒸気を発生させる。
なお、本実施形態は、主機関２の排熱として排ガスを利用する場合について説明するが、主機関２を冷却する機関冷却材の熱を利用してもよい。この場合には、機関冷却材は冷却水であり、純水の他、水に凍結防止剤などを添加した冷却液や液状の冷却剤を用いることができる。また、主機関２の排熱として、主機関２を冷却する潤滑油の熱を利用してもよい。
【００１１】
図２に示すように、それぞれの蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃは、経路手段３によって並列に接続されている。また、それぞれの蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃは、長手方向を水平方向とし、この長手方向が船舶１の前後方向となるように船舶１のデッキに設置している。また並列接続した蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃは、船舶１の中心線に対して対象に配置している。
本実施形態によれば、それぞれの蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃは、横置きに水平に設置しているため、船舶１が揺れても高温側と低温側の境界面の変位が少なく、高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体とが混じり合うことを低減でき、船舶１の重心を低く抑えられ、船舶１の安定性がよい。
また本実施形態によれば、それぞれの蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃが並列接続であるため、直列接続に比べて一度に大量の熱を取り出すことが可能となり、一時的大量消費に対応ができる。また、それぞれの蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃを並列接続とすることで、複数の蓄熱槽から均等に放熱させることにより、高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体の比重差による複数の蓄熱槽のアンバランスを無くし、船舶１のバランスが取りやすくなる。また並列接続した蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃを、船舶１の中心線に対して対象に配置することで、船舶１のバランスを更に取りやすくなる。
また本実施形態によれば、揺れが少ない船舶前後方向に蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃの長手方向を合わせることで、高温側と低温側の境界面における揺れが少なくて済む。従って、蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃ内に隔膜を設けていない場合でも、低温層と高温層とが混じることを低減できる。また、蓄熱槽４ａ、４ｂ、４ｃに隔膜を設けている場合には、隔膜の変動が少なくて済み、繰り返しによる材料劣化を防止できる。
【００１２】
図３は本実施形態による船舶用蓄熱システムの経路と蓄熱槽を示す構成図、図４は図３の蓄熱運転モードを示す構成図、図５は図３の蓄熱利用運転モードを示す構成図である。
排ガスエコノマイザ７には、第１配管１１の一端と第２配管１２の一端とが接続されている。熱交換手段５の一次側流路には、第３配管１３の一端と第４配管１４の一端とが接続されている。第１配管１１の他端と第３配管１３の他端は第１接続部２１に接続され、第２配管１２の他端と第４配管１４の他端は第２接続部２２に接続されている。一方、利用機器９には、第５配管１５の一端と第６配管１６の一端とが接続されている。第５配管１５の他端は第１接続部２１に接続され、第６配管１６の他端は第２接続部２２に接続されている。
ここで、第１配管１１には第１開閉弁３１が、第４配管１４には第２開閉弁３２が、第５配管１５には第３開閉弁３３が、第６配管１６には第４開閉弁３４が設けられている。
また、第２配管１２には低圧ポンプ６１が、第６配管１６には熱利用ポンプ６２が設けられている。
【００１３】
一方、熱交換手段５の二次側流路には、第７配管５１の一端と第８配管５２の一端とが接続されている。第７配管５１の他端は、第１の蓄熱槽開閉弁４１に接続されている。ここで第１の蓄熱槽開閉弁４１は、蓄熱槽４の上部空間と連通している。また、第８配管５２の他端は第３接続部２３に接続されている。
第３接続部２３には、第９配管５３の一端と第１０配管５４の一端とが接続されている。第９配管５３の他端は第４接続部２４に接続され、第４接続部２４には、第１１配管５５の一端と第１２配管５６の一端とが接続されている。第１０配管５４の他端は第５接続部２５に接続され、第５接続部２５には、第１３配管５７の一端と第１４配管５８の一端とが接続されている。第１１配管５５の他端は、高圧ポンプ６３の吐出口６３ａと接続され、第１３配管５７の他端は、高圧ポンプ６３の吸入口６３ｂと接続されている。
第１２配管５６の他端と第１４配管５８の他端とは第６接続部２６に接続され、第６接続部２６には、第１５配管５９の一端が接続されている。第１５配管５９の他端は、第２の蓄熱槽開閉弁４２に接続されている。ここで第２の蓄熱槽開閉弁４２は、蓄熱槽４の下部空間と連通している。
ここで、第９配管５３には第５開閉弁３５が、第１０配管５４には第６開閉弁３６が、第１２配管５６には第７開閉弁３７が、第１４配管５８には第８開閉弁３８が設けられている。
【００１４】
本実施形態に適した蓄熱槽４は、例えばタンク容量が３３立方メートル程度であり、この場合には、直径が２．５メートル、軸長が７メートル程度の円筒状タンクで構成される。
蓄熱槽４の本体内には、上部空間と下部空間とを分離する隔膜４３が設けられている。蓄熱槽４は円筒状タンクの胴部に脚部４４ａが設けられ、脚部４４ａによって架台４４ｂ上に載置される。脚部４４ａには断熱材４４ｃが設けられており、蓄熱槽４の本体と架台４４ｂとは脚部４４ａによって熱的に隔離されている。
蓄熱槽４の胴部には、温度検出手段８０が設けられている。本実施形態においては、最上部に第１の温度検出手段８１、中間部に第２の温度検出手段８２、下方部に第３の温度検出手段８３、最下部に第４の温度検出手段８４を設けている。また蓄熱槽４の上部には非常時に開放する安全弁７１が設けられている。
【００１５】
上記構成における蓄熱運転モードについて図４を用いて説明する。
第１開閉弁３１及び第２開閉弁３２を開放、第３開閉弁３３及び第４開閉弁３４を閉塞することで、排ガスエコノマイザ７と熱交換手段５との間に、第１配管１１、第３配管１３、第４配管１４、及び第２配管１２による経路が形成され、排ガスエコノマイザ７で発生された高温蒸気が熱交換手段５で復水し、低圧ポンプ６１によって排ガスエコノマイザ７に戻される。
すなわち、排ガスエコノマイザ７からの高温蒸気は、第１配管１１と第３配管１３とを通過して熱交換手段５の一次側流路に導かれ、熱交換手段５で放熱し復水した温水は、第４配管１４と第２配管１２とを通過して排ガスエコノマイザ７に戻される。
一方、第５開閉弁３５及び第８開閉弁３８を開放、第６開閉弁３６及び第７開閉弁３７を閉塞することで、蓄熱槽４と熱交換手段５との間に、第１５配管５９、第１４配管５８、第１３配管５７、第１１配管５５、第９配管５３、第８配管５２、及び第７配管５１による経路が形成され、高圧ポンプ６３によって蓄熱媒体が流通する。
すなわち、蓄熱槽４の第２の蓄熱槽開閉弁４２からの低温の蓄熱媒体は、第１５配管５９、第１４配管５８、第１３配管５７、第１１配管５５、第９配管５３、及び第８配管５２を通過して熱交換手段５の二次側流路に導かれ、熱交換手段５で吸熱した高温の蓄熱媒体は、第７配管５１を経由し第１の蓄熱槽開閉弁４１から蓄熱槽４に導かれる。
上記動作を継続することで、蓄熱槽４の下部空間にある低温の蓄熱媒体は、第２の蓄熱槽開閉弁４２から流出し、高温の蓄熱媒体となって第１の蓄熱槽開閉弁４１から流入する。従って、蓄熱槽４内では、隔膜４３より下にある低温の蓄熱媒体は減少し、隔膜４３より上にある高温の蓄熱媒体が増加することで、隔膜４３は低温の蓄熱媒体と高温の蓄熱媒体との比率に応じて下降する。
【００１６】
次に、蓄熱利用運転モードについて図５を用いて説明する。
第２開閉弁３２、第３開閉弁３３、及び第４開閉弁３４を開放、第１開閉弁３１を閉塞することで、熱交換手段５と利用機器９との間に、第３配管１３、第５配管１５、第６配管１６、及び第４配管１４による経路が形成され、熱利用ポンプ６２によって利用側熱媒体が流通する。
すなわち、熱交換手段５の一次側流路からの高温の利用側熱媒体は、第３配管１３と第５配管１５とを通過して利用機器９に導かれ、利用機器９で放熱した利用側熱媒体は、第６配管１６と第４配管１４とを通過して熱交換手段５に戻される。この場合、利用側熱媒体は配管経路的に排ガスエコノマイザ７と連通しているため、水等の同一の熱媒体が用いられる。
一方、第６開閉弁３６及び第７開閉弁３７を開放、第５開閉弁３５及び第８開閉弁３８を閉塞することで、蓄熱槽４と熱交換手段５との間に、第７配管５１、第８配管５２、第１０配管５４、第１３配管５７、第１１配管５５、第１２配管５６、及び第１５配管５９による経路が形成され、高圧ポンプ６３によって蓄熱媒体が流通する。
すなわち、蓄熱槽４の第１の蓄熱槽開閉弁４１からの高温の蓄熱媒体は、第７配管５１を通過して熱交換手段５の二次側流路に導かれ、熱交換手段５で放熱した低温の蓄熱媒体は、第８配管５２、第１０配管５４、第１３配管５７、第１１配管５５、及び第１２配管５６、及び第１５配管５９を通過して第２の蓄熱槽開閉弁４２から蓄熱槽４に導かれる。
熱交換手段５で熱交換を行う蓄熱媒体の温度は、高圧ポンプ６３の回転数制御や弁類の開度調節による流量調節によって行われる。
上記動作を継続することで、蓄熱槽４の上部空間にある高温の蓄熱媒体は、第１の蓄熱槽開閉弁４１から流出し、低温の蓄熱媒体となって第２の蓄熱槽開閉弁４２から流入する。従って、蓄熱槽４内では、隔膜４３より上にある高温の蓄熱媒体は減少し、隔膜４３より下にある低温の蓄熱媒体が増加することで、隔膜４３は低温の蓄熱媒体と高温の蓄熱媒体との比率に応じて上昇する。
【００１７】
なお、上記実施形態では、第１の蓄熱槽開閉弁４１は、蓄熱槽４の上部空間と連通し、第２の蓄熱槽開閉弁４２は、蓄熱槽４の下部空間と連通する場合で説明したが、第１の蓄熱槽開閉弁４１及び第２の蓄熱槽開閉弁４２を、蓄熱槽４の上部空間と下部空間とを切り替え可能な切替弁としてもよい。
例えば、利用機器９において必ずしも高温水を必要としない場合には、第１の蓄熱槽開閉弁４１を蓄熱槽４の下部空間に切り替え、蓄熱利用運転モードで運転することで、蓄熱槽の下部空間の低温水を有効に利用し、蓄熱槽４の上部空間の高温水を温存することができる。また、必ずしも利用機器９での利用がなくても、第１の蓄熱槽開閉弁４１を蓄熱槽４の下部空間に切り替え、蓄熱利用運転モードで運転することで、蓄熱槽４での蓄熱温度を低下させることができる。
また、第２の蓄熱槽開閉弁４２を蓄熱槽４の上部空間に切り替え、蓄熱運転モードで運転を継続することで、蓄熱槽４の上部空間の高温水の温度低下を防止することができる。
この場合、蓄熱槽４の外部との連通口は、上部空間に２つ、下部空間に２つを蓄熱槽４の左右に有した形態となる。
【００１８】
図６は同船舶用蓄熱システムに用いる蓄熱槽の要部断面構成図である。
タンク壁４０は、蓄熱槽４の本体を構成し、隔膜４３はタンク壁４０の内面に補強リブ４５ａを用いて取り付けられる。補強リブ４５ａは、断面Ｌ字状の長尺部材からなり、タンク壁４０内周面全周にリング状に配置されている。補強リブ４５ａは、溶接又は接着によってタンク壁４０に接合されている。この補強リブ４５ａには、複数の孔が形成され、この孔にボルト４５ｂがナット４５ｃによって取り付けられ、ナット４５ｃとともに設けられるフラットバー４５ｄと補強リブ４５ａとの間に隔膜４３の外周部を挟み込むことで隔膜４３をタンク壁４０に取り付ける。
隔膜４３は、伸縮性、耐熱性、耐水性を考慮して選択するが、耐熱性については、実際の使用温度が１６５℃程度であることから、４５０℃程度の耐熱性を持つことが好ましい。
隔膜４３には、蓄熱媒体の比重との関係において隔膜４３の浮力を調整する浮力調整機構４３ａを有している。浮力調整機構４３ａは、例えば隔膜４３に気泡を形成する（発泡）か、耐熱織布として繊維を中空化することで構成される。
蓄熱槽４は、隔膜４３によって上部空間４０Ａと下部空間４０Ｂに区分けされる。蓄熱槽４が横置きであり、隔膜４３はベローズのような屈曲部を有していないため、変位が少ないことと相俟って、耐久性上の問題がなく、材料も広い選定対象から選ぶことができる。
タンク壁４０の外表面には外側断熱材４６が設けられ、補強リブ４５ａより上部のタンク壁４０の内面には内側断熱材４７が設けられる。
外側断熱材４６としては、水に接していないため、例えば既存のロックウール（熱伝導率：０.０４５Ｗ／ｍｋ程度）を用いることができる。
内側断熱材４７としては、例えば耐圧性と耐熱性に優れているシリカバルーン（平均径：１００μｍ）と不飽和ポリエステル樹脂の混練材による断熱材（比重０.５程度）を用いることができる。
【００１９】
本実施形態によれば、蓄熱槽４本体のタンク壁４０内面の少なくとも上部空間４０Ａに内側断熱材４７を設けたことで、高温の蓄熱媒体が介在する上部空間４０Ａを有効に断熱でき、残量が少なくなっても高温の蓄熱媒体を有効に利用できるとともに、上部空間４０Ａの熱がタンク壁４０に伝わって下部空間４０Ｂに移行することを防止できる。
また、補強リブ４５ａによって隔膜４３をタンク壁４０に取り付けることで、タンク壁４０の強度に悪影響を及ぼす恐れのある熱履歴を避けることができる。
また、補強リブ４５ａによって隔膜４３をタンク壁４０内周面全周に取り付けることで、隙間からの漏れが無く、上部空間４０Ａに貯留する高温の蓄熱媒体と下部空間４０Ｂに貯留する低温の蓄熱媒体が混じり合うことが無い。
隔膜４３は、船舶１の動揺や高温水及び低温水の導入導出による密度成層の乱れを防ぐことにあるため、厳密な気密性を保つ必要はない。従って、熱履歴影響の少ないスポット溶接によって隔膜４３をタンク壁４０に取り付けることもできる。
また、本実施形態によれば、隔膜４３が浮力を調整する浮力調整機構４３ａを有するため、蓄熱媒体の出し入れが支障なくできる。
また、浮力調整機構４３ａによって隔膜４３の浮力を調整しているので、多少の間隙がある構成や、穴空きがあっても高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体との間に隔膜４３を臨ませることができる。また、浮力調整機構４３ａにより浮力を調整するため、重り等を必要としない。例えば比重が２〜３の隔膜４３を用いた場合には、気密性が損なわれると、隔膜４３が沈降することにより低温水が高温水側に流れ込むことがあるが、隔膜４３に浮力調整機構４３ａを設けることで、重力的に隔膜４３の中立性を保つことができる。
【００２０】
図７は図６における浮力調整部材の他の実施形態を示す要部構成図である。
図７は、繊維材４３ｂに、例えば内側断熱材４７にも使われるシリカバルーン（平均径：１００μｍ）を混練した浮力調整部材４３ｃを数珠玉のように取り付けたもので、これを、隔膜４３に縫いつける。浮力調整部材４３ｃは、蓄熱媒体よりも小さな比重であればよい。蓄熱媒体の温度毎の比重を考慮して浮力調整部材４３ｃの数や大きさを選択し、使用時に高温の蓄熱媒体と低温の蓄熱媒体との間に隔膜４３を臨ませることができるように、浮力を調整する。
【００２１】
図８は同船舶用蓄熱システムに用いる熱交換器の分解構成斜視図である。
熱交換器５は、一対の端板５ａ間に第１のプレート５ｂと第２のプレート５ｃとを交互に配置することで構成される。第１のプレート５ｂと第２のプレート５ｃとはあらかじめ溶接によって固着されて一次側通路部材５ｄが構成され、第１のプレート５ｂと第２のプレート５ｃとの間に形成される通路は、高温蒸気が通過する一次側通路となる。一次側通路部材５ｄがパッキン５ｆを挟持して積層されることで、一次側通路部材５ｄ間には二次側通路が形成される。そして、両端板５ａを連結材５ｅによって圧着固定することで熱交換器５が形成される。
一方の端板５ａ側には、第３配管１３、第４配管１４、第７配管５１及び第８配管５２の接続口が形成され、第３配管１３と第４配管１４とが対角線上に、第７配管５１と第８配管５２とが対角線上となるように配置されている。第３配管１３から導入される高温蒸気は、一次側通路部材５ｄ内の一次側通路を順に通過して第４配管１４から導出される。また、第７配管５１から導入される蓄熱媒体は、一次側通路部材５ｄ間の二次側通路を順に通過して第８配管５２から導出される。
このとき、第１のプレート５ｂの一方の面を流れる蒸気ガスと第１のプレート５ｂの他方の面を流れる蓄熱媒体とは対向する方向に流れる。
【００２２】
本システムに用いる熱交換器５は、例えば、０．７ＭＰａの高温・高圧水から、船舶内の各消費先向けの低圧蒸気を発生させるためのもので、容量としては、補助ボイラーの蒸気生成量８００ｋｇ／ｈに相当する、０．７ＭＰａの飽和水４ｔｏｎ／ｈを流す必要がある。
従って、熱交換器５のタイプは、小型で高性能なプレート式熱交換器が適している。プレート式熱交換器で、４ｔｏｎ／ｈの性能を発揮するためには、プレート枚数１５枚、プレート寸法０.４ｍ×０.７ｍ程度の構成となる。しかし、本システムに用いる熱交換器５の場合には、二次側通路の出口付近では低密度な蒸気が流れるため、圧損を水側と同程度とするには、プレート枚数を増やして流速を落とす必要がある。蒸気の物性値（圧力４ａｔｍと仮定）から、プレート枚数は３０枚程度とすることで対応できる。プレート枚数が３０枚程度の熱交換器５の外形寸法は、０.５ｍ（幅）×０.８ｍ（高さ）×０.６ｍ程度となる。プレート材料としては耐食性に優れているチタンが適しており、蒸気側(一次側)を溶接した高耐圧型（３ＭＰａ）が好ましい。
なお、高温・高圧水を４ｔｏｎ／ｈで流した場合のシュミレーションでは、１００トンを蓄熱水として貯留し、実際の平均蒸気消費量を８００ｋｇ／ｈ程度とした場合には、３〜５日の利用が可能となる。
【００２３】
以下に、本実施形態における船舶用蓄熱システムの制御方法について説明する。
図９は同船舶用蓄熱システムの流体抵抗低減装置の第１の制御方法による制御ブロック図である。
図９に示す制御ブロック図は既に説明した実施形態による構成を機能実現手段で示したものであり、同一機能の構成には同一符号を付して説明を省略する。
蓄熱制御手段９０は、操作盤９１によって蓄熱運転モードや蓄熱利用モードのモード指示や温度検出手段８０の温度設定を行い、第１切替手段３０Ａ、第２切替手段３０Ｂ、低圧ポンプ６１、熱利用ポンプ６２、高圧ポンプ６３の動作指示を行う。操作盤９１は、表示パネル９２を備えている。
ここで、第１切替手段３０Ａは、第１開閉弁３１、第２開閉弁３２、第３開閉弁３３、及び第４開閉弁３４によって構成される。また、第２切替手段３０Ｂは、第５開閉弁３５、第６開閉弁３６、第７開閉弁３７、及び第８開閉弁３８によって構成される。
【００２４】
まず、操作盤９１によって、主機関２及び蓄熱制御手段９０の運転開始が設定され、この設定に基づいて主機関２及び蓄熱制御手段９０が始動する。
主機関２が運転を開始すると排ガスが排出され、排ガスエコノマイザ７の温度が上昇する。操作盤９１で蓄熱槽４の蓄熱指示が行われると、蓄熱槽４の温度を温度検出手段８０が監視し、温度検出手段８０(例えば第３の温度検出手段８３)で第１所定温度（例えば１６０℃以下）を検出すると、蓄熱制御手段９０によって蓄熱運転モードが設定される。
蓄熱運転モードでは、蓄熱制御手段９０が第１切替手段３０Ａを蓄熱モードに切り替え、低圧ポンプ６１の運転を開始し、排ガスエコノマイザ７で熱交換した排熱（高温蒸気）を熱交換器５に導く。
低圧ポンプ６１の運転開始から所定の時間遅らせて、蓄熱制御手段９０が第２切替手段３０Ｂを蓄熱モードに切り替え、高圧ポンプ６３の運転を開始し、熱交換器５で熱交換した排熱を蓄熱槽４に導き、蓄熱槽４に蓄熱する。
高圧ポンプ６３の運転開始を低圧ポンプ６１の運転開始から所定の時間遅らせることで、低温の蓄熱媒体が蓄熱槽４に供給されることを防止できる。
なお、このように高圧ポンプ６３の運転開始を低圧ポンプ６１の運転開始から所定の時間遅らせる制御ではなく、熱交換器５の温度を検出して制御してもよい。
蓄熱槽４の温度検出手段８０(例えば第４の温度検出手段８４)の検出温度が第２所定温度（例えば１７０℃）に達したら、蓄熱制御手段９０は低圧ポンプ６１及び高圧ポンプ６３の運転を止め、操作盤９１の表示パネル９２に蓄熱完了の表示を行う。
複数の蓄熱槽４を備えている場合には、直列接続して蓄熱することもできるが、航行上の船舶バランス面から並列蓄熱が好ましい。
【００２５】
次に蓄熱利用運転モードでは、操作盤９１で蓄熱の利用を設定すると、蓄熱制御手段９０が蓄熱槽４の温度を確認し、熱利用対象に対して利用可能であれば、利用可能の表示を表示パネル９２に表示する。なお、温度検出手段８０の各位置の温度検出結果は、蓄熱槽４の蓄熱状態として表示パネル９２にグラフィカルに表示したり、蓄熱量を算出して表示することに利用することも可能である。
蓄熱制御手段９０が第２切替手段３０Ｂを利用モードに切り替え、高圧ポンプ６３の運転を開始すると、蓄熱槽４に蓄熱された熱を熱交換器５に導く。
高圧ポンプ６３の運転開始から所定時間遅らせて第１切替手段３０Ａを蓄熱利用モードに切り替え、熱利用ポンプ６２の運転を開始し、熱交換器５で熱交換した蓄熱を供給する。
高圧ポンプ６３の運転開始から所定時間遅らせて熱利用ポンプ６２の運転開始を行うことで、低温の蓄熱媒体が熱利用対象に供給されることを防止できる。
なお、高圧ポンプ６３の運転開始から所定時間遅らせて熱利用ポンプ６２の運転開始を行う制御ではなく、熱交換器５の温度を検出して制御してもよい。
操作盤９１の設定にしたがって、高圧ポンプ６３と熱利用ポンプ６２を制御して熱利用対象に蓄熱を供給するが、利用機器９によっては、経路に温度検出手段８０を設けて、熱利用ポンプ６２の回転数を制御し、供給温度を一定に制御することもできる。
蓄熱槽４に蓄えられた熱が無くなったことを、例えば蓄熱槽４の温度検出手段８０で検出する(例えば第１の温度検出手段８１が１５０℃以下)と、表示パネル９２にその旨を表示し、高圧ポンプ６３と熱利用ポンプ６２の運転を停止する。
複数の蓄熱槽４を備えている場合は、並列利用の場合は終了し、直列利用の場合は次の蓄熱槽に切り替える。
【００２６】
本実施形態によれば、蓄熱槽４の温度を検出する温度検出手段８０を設け、温度検出手段８０での検出温度が第１所定温度以下の場合には、蓄熱制御手段９０によって経路手段３０Ａ、３０Ｂを切り替えて蓄熱槽４に蓄熱することができる。
従って、温度条件を管理して蓄熱ができ、無駄に蓄熱運転をしたり、蓄熱槽を冷却してしまうことを防止することができる。なお、第１所定温度はあらかじめ設定しておくことができ、温度検出手段８０を複数備えている場合には、いずれかの温度検出手段８０での検出温度が第１所定温度以下であり、蓄熱槽４に蓄熱ができることを推定できる場合に蓄熱制御手段９０によって蓄熱槽に蓄熱する。また、第１所定温度を熱交換手段５での検出温度と関連づけた温度とすることもでき、熱交換手段５での検出温度が十分に高くなることで、蓄熱槽４での検出温度が熱交換手段５での検出温度よりも低くなると蓄熱制御手段９０によって蓄熱槽に蓄熱する。
また、蓄熱制御手段９０が、船舶１の航行中に蓄熱槽４への蓄熱を行う制御と、船舶１の航行停止時に蓄熱槽４の蓄熱を利用する制御を行うことで、航行中の主機関２の排熱を、航行停止時の排熱発生が無いときの必要エネルギーに有効利用できる。また、航行停止時に補助ボイラーを焚かないため、人の居住地に近い、港等の停泊地での補助ボイラーによる排ガスの排出や騒音の発生を抑制できる。
本実施形態における主機関２としては、ディーゼルエンジンのような内燃機関があるが、ボイラーでの燃焼による蒸気を利用する蒸気タービンがある。主機関２の排ガスは、内燃機関の場合には燃焼によって生じる排ガスであるが、蒸気タービンの場合にはボイラーでの燃焼によって生じる排ガスとタービン通過後の排熱ガスである。従って、蒸気タービンの場合には、タービン通過後の排熱ガスを利用することもできる。一般的には、蒸気タービン船では、タービン通過後の排熱ガスは復水器で海水により冷却されるため、この復水器の代わりに各実施の形態における熱交換器を用いることができる。
また、主機関２の排熱として主機関２に過給機を用いる場合、この過給機の圧縮空気の排熱も含むものとする。この場合の、機関冷却材としては空気あるいはインタークーラー等を介し空気と熱交換される各種熱媒体が相当する。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、特にディーゼルエンジンのような内燃機関やボイラーでの燃焼による蒸気を利用する蒸気タービンを主機関として備えた船舶に適している。また、船舶をはじめとした各種輸送手段や浮体等を含めた揺動の大きい環境下での使用や、高さ、重心を低くすることが要請される用途の蓄熱槽に適している。
【符号の説明】
【００２８】
２ 主機関
３ 経路手段
４ 蓄熱槽
５ 熱交換手段
３０Ａ（３１、３２、３３、３４） 第１切替手段
３０Ｂ（３５、３６、３７、３８） 第２切替手段
４３ 隔膜
４３ａ浮力調整機構
４７ 内側断熱材
６１ 低圧ポンプ
６２ 熱利用ポンプ
６３ 高圧ポンプ
８０ 温度検出手段
９０ 蓄熱制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶を推進する主機関と、前記主機関の排熱を供給する経路手段と、横置きに設置した蓄熱槽と、前記経路手段に設けて前記蓄熱槽内の蓄熱媒体と前記排熱とを熱交換する熱交換手段と、前記主機関の運転時に前記排熱を前記蓄熱槽に蓄熱する制御を行う蓄熱制御手段とを備えたことを特徴とする船舶用蓄熱システム。
【請求項２】
前記蓄熱槽を複数個設け、これらの前記蓄熱槽を経路的に並列に接続したことを特徴とする請求項１に記載の船舶用蓄熱システム。
【請求項３】
前記蓄熱槽の長手方向が前記船舶の前後方向となるように前記蓄熱槽を前記船舶に設置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の船舶用蓄熱システム。
【請求項４】
前記蓄熱槽の温度を検出する温度検出手段を設け、前記温度検出手段での検出温度が所定温度以下の場合には、前記蓄熱制御手段によって前記経路手段を切り替えて前記蓄熱槽に蓄熱することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の船舶用蓄熱システム。
【請求項５】
前記蓄熱制御手段が、前記船舶の航行中に前記蓄熱槽への蓄熱を行う制御と、前記船舶の航行停止時に前記蓄熱槽の蓄熱を利用する制御を行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の船舶用蓄熱システム。
【請求項６】
蓄熱槽本体を、長手方向を水平方向として設置し、前記蓄熱槽本体内の上部空間と下部空間とを分離する隔膜を備えたことを特徴とする蓄熱槽。
【請求項７】
前記隔膜が蓄熱媒体の比重との関係において浮力を調整する浮力調整機構を有することを特徴とする請求項６に記載の蓄熱槽。
【請求項８】
前記蓄熱槽本体の内面の少なくとも上部空間に内側断熱材を設けたことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の蓄熱槽。
【請求項９】
請求項６から請求項８のいずれかに記載の蓄熱槽を、船舶に設置し、前記船舶を推進する主機関の排熱を用いて前記蓄熱槽に蓄熱することを特徴とする船舶用蓄熱システム。
【請求項１】
船舶を推進する主機関と、前記主機関の排熱を供給する経路手段と、横置きに設置した蓄熱槽と、前記経路手段に設けて前記蓄熱槽内の蓄熱媒体と前記排熱とを熱交換する熱交換手段と、前記主機関の運転時に前記排熱を前記蓄熱槽に蓄熱する制御を行う蓄熱制御手段とを備えたことを特徴とする船舶用蓄熱システム。
【請求項２】
前記蓄熱槽を複数個設け、これらの前記蓄熱槽を経路的に並列に接続したことを特徴とする請求項１に記載の船舶用蓄熱システム。
【請求項３】
前記蓄熱槽の長手方向が前記船舶の前後方向となるように前記蓄熱槽を前記船舶に設置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の船舶用蓄熱システム。
【請求項４】
前記蓄熱槽の温度を検出する温度検出手段を設け、前記温度検出手段での検出温度が所定温度以下の場合には、前記蓄熱制御手段によって前記経路手段を切り替えて前記蓄熱槽に蓄熱することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の船舶用蓄熱システム。
【請求項５】
前記蓄熱制御手段が、前記船舶の航行中に前記蓄熱槽への蓄熱を行う制御と、前記船舶の航行停止時に前記蓄熱槽の蓄熱を利用する制御を行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の船舶用蓄熱システム。
【請求項６】
蓄熱槽本体を、長手方向を水平方向として設置し、前記蓄熱槽本体内の上部空間と下部空間とを分離する隔膜を備えたことを特徴とする蓄熱槽。
【請求項７】
前記隔膜が蓄熱媒体の比重との関係において浮力を調整する浮力調整機構を有することを特徴とする請求項６に記載の蓄熱槽。
【請求項８】
前記蓄熱槽本体の内面の少なくとも上部空間に内側断熱材を設けたことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の蓄熱槽。
【請求項９】
請求項６から請求項８のいずれかに記載の蓄熱槽を、船舶に設置し、前記船舶を推進する主機関の排熱を用いて前記蓄熱槽に蓄熱することを特徴とする船舶用蓄熱システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−７５２２７（Ｐ２０１１−７５２２７Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２８４７９（Ｐ２００９−２２８４７９）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【出願人】（３９５００８３３３）株式会社大晃産業 (12)
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【出願人】（３９５００８３３３）株式会社大晃産業 (12)
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